碳纖維材料在汽車后座椅骨架上的應(yīng)用探討

苗京

【摘 要】目前，汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢以汽車輕量化為目標(biāo)，汽車輕量化可以降低燃料的消耗率，提高汽車的動(dòng)力，減少汽車尾氣排放的污染率，由于碳纖維具有較強(qiáng)的耐腐蝕性和高度的柔軟性，其可以給汽車零件的優(yōu)化帶來很大作用，因此在汽車后座椅骨架上碳纖維材料的應(yīng)用前景十分廣闊。文章分析了汽車座椅輕量化的意義，探討了碳纖維材料與碳纖維復(fù)合資料及用途，仔細(xì)研究了汽車后座椅的骨架設(shè)計(jì)要求，分析了碳纖維材料在汽車后座椅上的應(yīng)用情況，并且找出了部分相關(guān)問題。

【關(guān)鍵詞】汽車輕量化；碳纖維材料；后座椅骨架

【中圖分類號(hào)】U463 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2018）07-0074-02

在汽車行業(yè)發(fā)展十分迅猛的情況下，汽車的生產(chǎn)量在不斷增加，汽車保有量也在日益增長，因此由汽車引起的生態(tài)環(huán)境問題越來越突出。在當(dāng)前階段，傳統(tǒng)的汽車能源消耗與新型的汽車電力能源消耗都存在一些問題，所以必須用技術(shù)手段來達(dá)到減少能源消耗的目的，這是汽車行業(yè)在現(xiàn)階段面臨的主要問題，必須加強(qiáng)研究力度，及時(shí)解決問題。碳纖維材料作為一種新型材料，給汽車后座椅的骨架帶來了很大作用，為汽車行業(yè)的迅速發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。

1 汽車座椅輕量化的重要意義

汽車的座椅作為比較重要的內(nèi)飾部件，其設(shè)計(jì)工作也比較復(fù)雜。研究表明，汽車座椅的質(zhì)量在汽車總質(zhì)量中所占的比例不到2%，雖然其所占比例較小，但是對(duì)于整個(gè)汽車質(zhì)量而言，座椅輕量化具有重大意義。在座椅設(shè)計(jì)工作中，必須考慮造型美觀、安全性能、功能作用及座椅是否舒適等因素，所以座椅輕量化的設(shè)計(jì)必須以座椅的各性能為基礎(chǔ)，在保持各性能基礎(chǔ)之上減輕座椅重量，最大限度地實(shí)現(xiàn)座椅輕量化，同時(shí)更要加強(qiáng)座椅的安全性能，汽車座椅輕量化的實(shí)現(xiàn)依然具有極大的挑戰(zhàn)性與研究性。此外，汽車輕量化能加快汽車行業(yè)的發(fā)展，降低能源消耗，貫徹落實(shí)了可持續(xù)發(fā)展理念，即使在實(shí)現(xiàn)汽車座椅輕量化的過程中會(huì)產(chǎn)生很多問題，也必須加大其研究力度，保證汽車行業(yè)的發(fā)展需求得到滿足。

2 碳纖維材料與碳纖維復(fù)合材料

2.1 碳纖維材料

碳纖維是一種微晶石墨材料，該材料是由有機(jī)纖維進(jìn)行石墨化和碳化處理后得到的，其含碳量在無機(jī)高分子纖維中所占比例高達(dá)90%。從微觀上來看，碳纖維的結(jié)構(gòu)與人造石墨的結(jié)構(gòu)比較相似，屬于亂層石墨結(jié)構(gòu)。同時(shí)，碳纖維作為一種新型增強(qiáng)纖維，既具有碳材料本身存在的特性，也具有紡織纖維的可塑性與柔軟性。將碳纖維跟玻璃纖維與凱芙拉纖維進(jìn)行比較后會(huì)發(fā)現(xiàn)，碳纖維的楊氏模量是玻璃纖維的楊氏模量的3倍以上，是凱芙拉纖維的楊氏模量的2倍左右，并且顯示出極大的耐腐蝕性。

碳纖維具有很強(qiáng)的特性，其模量與軸向強(qiáng)度很高，不會(huì)產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象，承受力的反復(fù)作用的能力極強(qiáng)，比熱容與導(dǎo)電性都在金屬與非金屬之間，其熱膨脹系數(shù)較小，且纖維的密度較低，光投性較好。但是由于碳纖維的抗沖擊性能力較低，經(jīng)常出現(xiàn)受損情況，而且在強(qiáng)酸條件下會(huì)產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，如果將其與金屬復(fù)合還會(huì)出現(xiàn)金屬滲碳、碳化、腐蝕等現(xiàn)象，所以必須將碳纖維進(jìn)行表面處理。

2.2 碳纖維復(fù)合材料

復(fù)合材料是由多種材料復(fù)合制成的，碳纖維復(fù)合材料是將碳纖維與陶瓷、樹脂、金屬等物質(zhì)復(fù)合后形成的結(jié)構(gòu)材料。目前，人們時(shí)刻關(guān)注著纖維增強(qiáng)材料的研發(fā)，如今復(fù)合材料多樣化，玻璃纖維、玻璃鋼首先被研發(fā)出來，隨后碳纖維、硼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與陶瓷纖維也研制成功。復(fù)合材料的性能在不斷改進(jìn)，使得復(fù)合材料的發(fā)展前景越來越廣闊。

2.3 應(yīng)用領(lǐng)域

碳纖維通過一定的工業(yè)程序可以加工成紡織物、毯子、紙制品等材料，在傳統(tǒng)應(yīng)用中一般將碳纖維作為絕熱保溫的材料，不會(huì)單獨(dú)使用，多數(shù)情況下會(huì)將其看成一種增強(qiáng)材料，在金屬、樹脂、混凝土及陶瓷等材料中加入碳纖維材料，形成特定的復(fù)合材料。由于碳纖維復(fù)合材料比重較小，抗變形能力與抗破壞能力較強(qiáng)，因此在航天航空領(lǐng)域中應(yīng)用比較廣泛，先進(jìn)的復(fù)合材料為航天飛行器的質(zhì)量做出了極大貢獻(xiàn)。同時(shí)，碳纖維復(fù)合材料不僅可應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)、火箭外殼，還可應(yīng)用于機(jī)器人、機(jī)動(dòng)船體、汽車零件及電磁屏蔽等領(lǐng)域。

3 汽車后座椅骨架的觀察

汽車后座椅骨架是一輛汽車中很重要的承載部位，設(shè)計(jì)必須嚴(yán)謹(jǐn)，將碳纖維材料應(yīng)用在汽車后座椅骨架上的時(shí)候必須全面考慮設(shè)計(jì)要求。通常情況下，評(píng)判座椅骨架合格與否、安全性能高低必須觀察后座椅在動(dòng)態(tài)沖擊力、前向沖擊力與疲勞強(qiáng)度等實(shí)驗(yàn)。

（1）后座椅的行李箱在動(dòng)態(tài)沖擊下的實(shí)驗(yàn)。在汽車進(jìn)行急劇減速模擬實(shí)驗(yàn)后，觀察汽車后座椅的行李箱在受到動(dòng)態(tài)沖擊后的保持狀態(tài)，仔細(xì)察看行李箱內(nèi)的物體對(duì)汽車后座椅的沖擊情況。通過強(qiáng)烈的沖擊力可以檢驗(yàn)汽車后座椅的抗擊能力是否足夠強(qiáng)大，根據(jù)此實(shí)驗(yàn)對(duì)后座椅骨架設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，防止出現(xiàn)物體由于沖擊力進(jìn)入乘坐區(qū)域而造成的人員受傷的情況。

（2）后座椅頭枕在前向沖擊下的實(shí)驗(yàn)。此實(shí)驗(yàn)將模擬乘客在前向沖擊下頭部撞擊頭枕，觀察該情況，檢驗(yàn)后座椅的頭枕結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度大小，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行改進(jìn)，保證汽車在發(fā)生意外事故時(shí)乘客的頭部會(huì)得到有效保護(hù)。

（3）后座椅骨架在疲勞實(shí)驗(yàn)下的強(qiáng)度大小。后座椅骨架有很多疲勞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，包括座椅前后、座椅側(cè)向等不同的疲勞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。這類實(shí)驗(yàn)的步驟都很相似，都是通過反復(fù)的周期應(yīng)力來觀察骨架結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，達(dá)到后座椅骨架耐久性極強(qiáng)的目的。

4 碳纖維材料應(yīng)用于汽車后座椅骨架上的優(yōu)勢

碳纖維材料應(yīng)用在汽車后座椅上時(shí)，座椅管件與其他零件的連接比較麻煩，其工作比金屬管件的工作復(fù)雜，且減重效果并不明顯，沒有充分運(yùn)用到碳纖維復(fù)合材料的特性。碳纖維材料在進(jìn)行工藝制造的過程中要進(jìn)行預(yù)埋工作，保證零件部位的穩(wěn)定性，而且工藝制造的成本也較高，可運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)手段完成后座椅骨架的設(shè)計(jì)工作。在碳纖維塑料成型的工作中，碳纖維材料主要的呈現(xiàn)方式是短纖維，與碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行比較會(huì)發(fā)現(xiàn)短纖維的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低。因此，采用碳纖維材料制成的產(chǎn)品符合汽車后座椅骨架的耐沖擊性、耐腐蝕性、高強(qiáng)度、高疲勞等特性。

5 在汽車后座椅骨架上碳纖維材料的應(yīng)用

5.1 用碳纖維管材代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼制管件

碳纖維復(fù)合材料可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼材料，汽車后座椅骨架用傳統(tǒng)的鋼制成，鋼密度比碳纖維的密度大，而汽車座椅輕量化需要減輕座椅重量，所以可以用碳纖維復(fù)合材料代替鋼材質(zhì)來制作座椅骨架，可最大限度地達(dá)到減重效果。但是在骨架管件與其他相關(guān)零件連接的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)很多細(xì)節(jié)問題，兩者之間的連接可采用從中間進(jìn)行三通管連接方式，還可運(yùn)用膠水進(jìn)行連接，實(shí)際操作需要不停地研究實(shí)驗(yàn)，因此汽車后座椅骨架的實(shí)際減重效果會(huì)受到一定影響。

5.2 將碳纖維材料進(jìn)行熱壓成型

按照設(shè)計(jì)的樣式鋪設(shè)碳纖維布，最后將熱固性樹脂加入模具中，這就是熱壓成型的制造方式。該方式工藝比較簡單，所有的工藝材料基本都是碳纖維材料，因此減重效果極其明顯。碳纖維在產(chǎn)品中呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)是紡織結(jié)構(gòu)，其耐沖擊性比較強(qiáng)，但是采用碳纖維材料需要注意其與其他零件連接時(shí)的細(xì)節(jié)問題，如果有軸銷或者預(yù)埋鋼制襯套的需求必須充分考慮工藝步驟的工作。目前，汽車后座椅的模具成本比較高，在前期階段必須將產(chǎn)品性能了解分析得非常透徹，才可以正式進(jìn)行模具制造和生產(chǎn)活動(dòng)，這對(duì)工藝設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)模擬工作的要求都比較高。樹脂材料會(huì)在模具內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，這不僅要求工作人員能夠及時(shí)解決溫度較高的情況，還需要解決產(chǎn)品反應(yīng)后降溫的現(xiàn)象，要充分保證產(chǎn)品的尺寸及性能。

5.3 將碳纖維材料進(jìn)行注塑成型

用碳纖維增強(qiáng)型材料進(jìn)行注塑工作，將其采用分組形式進(jìn)行混煉，使其得到充分融合，進(jìn)行反應(yīng)后形成注塑用的塑料粒子，然后將其注塑成型形成產(chǎn)品。對(duì)于汽車后座椅的骨架設(shè)計(jì)需要從整體考慮，全面分析零件性能，可充分應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)進(jìn)行仿真分析，并且不斷改進(jìn)技術(shù)手段。

6 結(jié)語

總之，本文描述了汽車輕量化的意義，探討了碳纖維材料對(duì)于汽車后座椅的應(yīng)用方案，使汽車后座椅向輕量化發(fā)展，汽車后座椅的輕量化也會(huì)給汽車發(fā)展帶來很大作用。本文確定了產(chǎn)品未來的開發(fā)方向及設(shè)計(jì)工作，希望碳纖維材料在汽車后座椅上的應(yīng)用會(huì)更加廣泛，汽車行業(yè)的發(fā)展越來越好。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]